[OS64][022]源码阅读：程序4-8 数据结构与内存示意图

学习笔记

使用教材（配书源码以及使用方法）
《一个64位操作系统的设计与实现》
http://www.ituring.com.cn/book/2450
https://www.jianshu.com/p/28f9713a9171

源码结构

• 配书代码包 ：第4章 \ 程序 \ 程序4-8

程序4-8 内存示意图

程序4-8 内存示意图

物理地址
0x00                        0x100000                        0x200000
|-------------------------------|-------------------------------|--------------------
0                              1MB                             2MB  

起始物理地址
---- 0x00 ~ 0x1FFFFF ----
0x7c00  boot.bin
0x7E00  INT 15H获取的物理地址空间信息
0x8000  软盘根目录区或FAT表读入缓冲区
0x10000 Loader.bin
0x100000    kernel.bin
    0x100000 + 0x1000 PML4
    0x100000 + 0x2000 PDPT
    0x100000 + 0x3000 PDE
    0x100000 +        GDT IDT TSS

0x115000    struct bits map
0x116000    struct pages
0x12a000    struct zones

---- 0x200000 ~~~
    

程序4-8 数据结构

位图 bits map

• 位图一位标识是一张物理页的使用状况，0: 空闲可用 ，1:已使用

• 整个内存条的大小是0x1 0000 0000 = 0x fffc 0000+0x 4000

• 位图要描述整个内存条（可用内存+不可用内存），设置了2MB大小的物理页，那么位图需要对应0x800=2048张物理页，因此，位图的bits_size等于0x800，需要0x800这么多位，自然只需要bits_length=0x800 ÷ 8=0x100 这么多字节来存储整个位图

• 而，可用的物理空间是从 起始物理地址 0x100000 长度0x7FEF0000，换算成可用的2MB物理页的个数是0x3fe=1022张

• 对于位图而言，位图里第一个字节的第0位对应于物理地址0x00~0x1FFFFF即内存条的第一个2MB空间，位图里的第一个字节的第1位才是对应于0x200000~0x3FFFFF即内存条的第二个2MB空间（这里才是第一个可申请使用2MB物理页）

• 程序4-8 memory.c init_memory(){} 这里完成事实上的开辟内存空间给位图

将整个bits_map 全部置1，以标注非内存页(内存空洞和ROM空间)已被使用
memset(memory_management_struct.bits_map,0xff,memory_management_struct.bits_length);        //init bits map memory

等价于
memset(0x115000, 0xff, 0x100);

页结构体 pages

struct Page
{
指向本物理页所属的区域结构体
    struct Zone *   zone_struct;
本物理页的起始物理地址
    unsigned long   PHY_address;
本物理页的属性
    unsigned long   attribute;
本物理页的被引用次数
    unsigned long   reference_count;
本物理页的创建时间   
    unsigned long   age;
};

• 按照2MB大小分割后的每一个物理页由一个struct page {}进行管理
• 整个内存条，分割后的2MB大小物理页是0x800张
• 单个struct page{}大小是0x28 = 40字节
• 因此对应于整个内存条的page结构体一共是0x800 * 40 = 0x14000这么多字节
• 程序4-8 memory.c init_memory(){} 这里完成事实上的开辟内存空间给页结构体们

// 将整个 pages_struct 清零 
    memset(memory_management_struct.pages_struct,0x00,memory_management_struct.pages_length);   //init pages memory

等价于
memset(0x116000,0x00,0x14000);  //init pages memory

区域结构体 zones

• 整个内存条拥有以下的区域

i           Address         Length          Type
zones[0]    0x00000000      0x0009f000      0x00001
zones[1]    0x0009f000      0x00001000      0x00002
zones[2]    0x000e8000      0x00018000      0x00002
zones[3]    0x00100000      0x7fef0000      0x00001
zones[4]    0x7fff0000      0x00010000      0x00003
zones[5]    0xfffc0000      0x00040000      0x00002

• type = 1才是可用区域，同时由于现在物理页的大小是2MB，那么zone[0]不足以分配一张物理页，因此可用物理段只有zones[3] 0x00100000 0x7fef0000 0x00001

• 单个 struct Zone 大小是0x50 = 80 字节

struct Zone
{
0xffff 8000 0011 6028

    struct Page *   pages_group;

本区域可用的物理页个数
    unsigned long   pages_length;

本区域的起始物理地址
（不是struct Zone 结构体存放位置，
而是区域的起始物理地址，
即zones[3]里面的0x100000
按照2MB对齐后的首地址就是0x200000）
    unsigned long   zone_start_address;

0x7FE00000
    unsigned long   zone_end_address;
本区域占用的字节数
    unsigned long   zone_length;
本区域的属性  
    unsigned long   attribute;

指向全局结构体的指针
    struct Global_Memory_Descriptor * GMD_struct;

本区域已使用的物理页数
    unsigned long   page_using_count;

本区域空闲的物理页数
    unsigned long   page_free_count;

本区域物理页被引用次数
（同一个物理页可以被多个线性地址引用）
    unsigned long   total_pages_link;
};

全局结构体 Global_Memory_Descriptor

struct E820
{
    unsigned long address;
    unsigned long length;
    unsigned int    type;
}__attribute__((packed));



struct Global_Memory_Descriptor
{
    struct E820     e820[32];
    unsigned long   e820_length;

0x115000
    unsigned long * bits_map;
    unsigned long   bits_size;
    unsigned long   bits_length;


0x116000
    struct Page *   pages_struct;
    unsigned long   pages_size;
    unsigned long   pages_length;

0x12a000
    struct Zone *   zones_struct;
    unsigned long   zones_size;
    unsigned long   zones_length;

    unsigned long   start_code , end_code , end_data , end_brk;

内存页管理结构的结尾地址
    unsigned long   end_of_struct;  
};

参考资料

• 如何解读E820

[OS64位][020]源码阅读：程序4-7 计算可用的物理内存页数
https://www.jianshu.com/p/8ec3ea9120ce

• 程序 4-8 运行

[OS64][021]源码阅读：程序4-8 申请分配连续64个可用物理页

程序4-8 申请分配连续64个物理页.png

https://www.jianshu.com/p/f1c159ddc917